Операционные ресурсы ЦВМ

Множество всех аппаратных и программно реализуемых опера­ций в ЭВМ составляет ее операционные ресурсы. ЭВМ, операцион­ные ресурсы которых обеспечивают принципиальную возможность выполнения любого алгоритма обработки информации, называются алгоритмически универсальными. Для алгоритмической универсальности ЭВМ достаточно наличия в ее опе-рационных ре­сурсах лишь четырех операций: пересылки слова из любой ячейки памяти в любую другую ячейку, прибавления и вычитания единицы к слову, условного перехода по совпадению слов, безусловного ос­танова ЭВМ. Однако лишь в некоторых простейших микропроцессорах набо-ры операций близки к минимальному. В подавляющем большинстве ЭВМ и микропроцессоров операционные ресурсы значительно полнее и состоят из десятков и сотен операций.

4.3. Аппаратные средства ЦВМ: память, процессор, периферийные устройства

Аппаратные средства любой алгоритмически универсальной ЭВМ можно разделить на три основные части: память, процессор и периферийные устройства (рис.2), причем число устройств па­мяти и процессоров в конкретных ЭВМ может варьировать от еди­ниц до нескольких десятков, а периферийных устройств – до не­скольких сотен штук. Память ЭВМ служит для хранения исходных данных, программ обработки информации, промежуточных и окончательных результатов. В современ-ных больших универсальных ЭВМ память представляет собой сложную много-уровневую систему. В этой системе можно выделить уровни сверхоперативной, опе- ра­тивной, буферной и внешней памяти. Каждый последующий уро­вень отличается от предыдущего важнейшими техническими характеристиками памяти – емкостью и быстродей­ствием. Емкостью памяти называется максимальное количество ин­фор-мации, которое может быть в ней записано. Быстродействие памяти характеризует- ся длительностью операций чтения и записи – двух основных операций, выполняе- мых в памяти ЭВМ. Для указан­ной последовательности уровней памяти емкость растет в направ­лении от сверхоперативной к внешней, а быстродействие уменьша ется в том же направлении. В состав памяти ЭВМ могут входить также и программ- ные средства, обеспечивающие управление пере­мещением информации по уровням па-мяти, упорядоченное размещение информации, проведение специаль­ных проверочных процедур и т. п. Такая память называется вирту­альной или математической памятью. В малых ЭВМ и микроЭВМ структура памяти существенно проще и включает один-два уровня (например, оперативную или оперативную и внешнюю).

Рис. 2

В процессоре ЭВМ сосредоточены все процессы по обработке ин­формации. Процессор состоит из арифметико-логического (операци­онного) устройства и уст-ройства управления. Арифметико-логиче­ским устройством (АЛУ) называется та часть процессора, которая пред­назначена для выполнения арифметических и логи-ческих операций над словами, поступающими из памяти ЭВМ. При этом слова (чи­сла), над которыми выполняется некоторая операция в АЛУ, называются операн-дами. Любое АЛУ имеет в своем составе несколько регистров и функциональных (комбинационных) схем. Регистры предназна­чены для хранения операндов в про- цессе выполнения операций, а с помощью функциональных схем выполняются не- обходимые пре­образования операндов при передаче их с одного регистра на дру- гой. Все операции в АЛУ реализуются как пространственно-временные последо-вательности некоторых элементарных операций (микроопераций) над словами, каж- дая из которых является сово­купностью операций над буквами, составляющими данные слова. К числу основных элементарных операций, выполняемых в АЛУ, от-носятся:

1) передача (прием, выдача) операнда (слова) на регистр;

2) сдвиг (арифметический, циклический, логический, модифи­цированный) опе-ранда на заданное число разрядов;

3) прибавление к слову или вычитание из него 1 (в более общем случае – неко-торой константы);

4) сравнение операндов (по принципу «больше – меньше –равно»);

5) поразрядные логические операции дизъюнкции, конъюнкции, равнозначности и сложения по модулю, равному значности алфавита;

6) суммирование двух операндов, представляющих числа в од­ной и той же сис- теме счисления;

7) преобразование кодов операндов, включая инверсию, допол­нение, дешифра- цию и др.

Перечисленные элементарные операции могут иметь несколько вариантов, например, сравнение может выполняться по принципу «равно – неравно» или как операция выделения большего операнда.

Устройство управления (УУ) в составе процессора предназна­чено для рас-шифровки команд и формирования последовательно­стей управляющих сигналов. Эти сигналы включают в работу от­дельные узлы процессора, что в итоге приводит к выполнению действий, указываемых командой. Для выполнения одной элементар­- ной операции в АЛУ необходимо подать один сигнал от УУ по це­пям управления. Известно три основных типа УУ – микропро­граммные, аппаратные и смешанные.

В микропрограммных УУ каждому управляющему сигналу со­ответствует определенное слово (часть слова), хранящееся в специ­альной памяти и называемое микрокомандой. Последовательности управляющих сигналов для некоторой опера- ции соответствует со­вокупность микрокоманд, называемая микропрограммой. Управ-ле­ние выполнением операции осуществляется путем чтения из микро­программной памяти микрокоманд и их преобразования в сигналы по управляющим цепям. Из-менение набора команд, выполняемых процессором, сводится к замене содержимо- го памяти микропро­грамм и не требует изменения состава аппаратных средств ЭВМ.

В аппаратных УУ управляющие сигналы формируются специ­альными аппа-ратными средствами (электронными схемами) и изменение ранее заложенной струк-туры последовательностей этих сиг­налов без изменений в аппаратных средствах здесь невозможно.

В УУ смешанного типа управление частью операций осуществ­ляется по микропрограммному способу, а другой частью — по ап­паратному способу.

Различают также централизованные и децентрализованные УУ. В централи-зованных УУ все управляющие сигналы, необходимые для выполнения любой операции, вырабатываются непосредствен­но в УУ. При децентрализованном управ-лении УУ состоит из цен­трального УУ (ЦУУ) и устройств местного управления (УМУ).

ЦУУ формирует только основные управляющие сигналы, обыч­но соответст-вующие виду выполняемой операции (например, «ум­ножение», «сложение» и т. п.). Эти сигналы воздействуют на УМУ, которые и вырабатывают сигналы выполнения отдельных элемен­тарных операций.

Периферийные устройства предназначены для преобразования формы пред-ставления информации при вводе ее в ЭВМ и выводе из ЭВМ. Значение пе-риферийного оборудования в обеспечении эффек­тивного использования ЭВМ очень велико. В этом плане ЭВМ без периферийных устройств (память и процессор) мож- но сравнить с энергонасыщенным трактором в сельском хозяйстве, для которого не изготовлены прицепные или навесные орудия обработки земли. Для создания пе-риферийного оборудования используется очень широкий круг физических эффектов и явлений. Принципы построе­ния н структуры периферийных устройств в значитель- ной степени зависят от конкретных их применений.

ЭВМ, которые не являются алгоритмически универсальными, а также ЭВМ, предназначенные для решения задач одного класса (или даже одной задачи с раз- ными исходными данными), относятся к классу специализированных ЭВМ (проб-лемно-ориентированных или ЭВМ с жесткой программой). Некоторые из основных техни­ческих характеристик (производительность, стоимость, надежность и др.) та- ких ЭВМ оптимизированы на конкретные применения. Специализированная ЭВМ (СЭВМ) имеет одну программу или на­бор переключаемых программ, записанных в память. К классу СЭВМ относятся и неалгоритмические ЭВМ, в которых вычисли­тельный процесс определяется не последовательностью и совокуп­ностью элемен-тарных операций в зависимости от внешней изменя­емой программы, а математичес-ким описанием процесса обработки информации, т. е. жесткой программой, поло-женной в основу по­строения внутренней структуры аппаратных средств и связей между ними.

Два направления развития средств ВТ — по пути создания универсальных и специализированных ЭВМ не исключают, а вза­имно дополняют друг друга. Уни-версальные ЭВМ имеют очень широкую область применения и выпускаются круп-ными сериями. Для решения же сравнительно узкого круга задач более эффектив- ны СЭВМ. Класс СЭВМ является областью апробации новых методов автоматиза- ции вычислений, которые затем получают дальней­шее внедрение в универсальных ЭВМ. К числу таких методов, например, относятся многоуровневая обработка ин-формации с распараллеливанием вычислительного процесса на отдельные неза­ви-симые ветви; децентрализация вычислений с помощью много­процессорных систем и аппаратно реализуемых подпрограмм (предпроцессоров); выполнение сложных математических операций и вычисление сложных функций аппаратным способом за одну команду; использование нетрадиционных систем счисления и способов пред-ставления информации; организация вычислений по принципу цифровой аналогии и др.